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111 學年度台聯大微積分 A2 第 4 題

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111學年度 · 111台聯大微積分A2 · 第 4 題

題目

Problem

4. Find the maximum value of f(x)=x12(1x)3f(x) = x^{\frac{1}{2}}(1 - x)^3 on the closed interval [0,1][0, 1].

解答

解法一:閉區間極值判定法

思路

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  1. 本題欲在閉區間 [0,1][0, 1] 上尋找連續函數的絕對最大值,可利用閉區間法 (Closed Interval Method)
    • 找出開區間 (0,1)(0, 1) 內的所有臨界點(使 f(x)=0f'(x) = 0f(x)f'(x) 不存在的點)。
    • 計算端點 x=0,x=1x=0, x=1 處的函數值。
    • 比較這些臨界點與端點處的函數值,其中最大者即為絕對最大值。
  2. 對於 f(x)=x1/2(1x)3f(x) = x^{1/2}(1-x)^3 進行求導,並令其為零來尋找臨界點。

答題過程

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第一步:尋找開區間 (0,1)(0,1) 內的臨界點

f(x)=x1/2(1x)3f(x) = x^{1/2}(1-x)^3 使用乘積法則與連鎖律求導:

f(x)=12x1/2(1x)3+x1/23(1x)2(1)f'(x) = \frac{1}{2}x^{-1/2}(1-x)^3 + x^{1/2} \cdot 3(1-x)^2(-1)

為了便於因式分解,提取公因式 x1/2(1x)2x^{-1/2}(1-x)^2

f(x)=x1/2(1x)2[12(1x)3x]=x1/2(1x)2(1272x)=(1x)2(17x)2xf'(x) = x^{-1/2}(1-x)^2 \left[ \frac{1}{2}(1-x) - 3x \right] = x^{-1/2}(1-x)^2 \left( \frac{1}{2} - \frac{7}{2}x \right) = \frac{(1-x)^2(1-7x)}{2\sqrt{x}}

f(x)=0f'(x) = 0 且考慮 x(0,1)x \in (0, 1)

  • 1x=0    x=11-x = 0 \implies x = 1(此為區間端點)。
  • 17x=0    x=171-7x = 0 \implies x = \frac{1}{7}(位於開區間 (0,1)(0, 1) 內)。

另外,當 x=0x = 0 時, f(x)f'(x) 不存在(此為區間左端點)。 因此,開區間 (0,1)(0, 1) 內唯一的臨界點為 x=17x = \frac{1}{7}

第二步:計算並比較臨界點與端點處的函數值

  • 端點處

    f(0)=01/2(10)3=0f(0) = 0^{1/2}(1-0)^3 = 0 f(1)=11/2(11)3=0f(1) = 1^{1/2}(1-1)^3 = 0
  • 臨界點處

    f(17)=(17)1/2(117)3=17(67)3=2163437f\left(\frac{1}{7}\right) = \left(\frac{1}{7}\right)^{1/2}\left(1 - \frac{1}{7}\right)^3 = \frac{1}{\sqrt{7}} \left(\frac{6}{7}\right)^3 = \frac{216}{343\sqrt{7}}

    將分母有理化:

    f(17)=21673437=21672401f\left(\frac{1}{7}\right) = \frac{216\sqrt{7}}{343 \cdot 7} = \frac{216\sqrt{7}}{2401}

第三步:比較極值

由於 21672401>0\frac{216\sqrt{7}}{2401} > 0,經由比較可知,絕對最大值發生於 x=17x = \frac{1}{7} 處,其最大值為 21672401\frac{216\sqrt{7}}{2401}

故最大值為 21672401\boxed{\frac{216\sqrt{7}}{2401}}